砂土中浅埋海底管道侧向土抗力研究

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1、砂土中浅埋海底管道侧向土抗力研究ResearchonLateralSoilResistanceofShallow-embeddedSubmarinePipelineinSand工程领域：水利工程作者姓名：王宇飞指导教师：朱平研究员企业导师：王初生高工天津大学建筑工程学院2017年12月摘要随着海上油气资源的勘探与开发向深海海域发展，深海中直铺的浅埋管道在高温高压联合作用下的侧向整体屈曲问题逐渐成为了不可忽视的重要工程问题之一。为了在工程允许的范围内进行管道轴力的释放从而实现对屈曲的控制，管道侧向土抗力作为重要的设计参数，其发挥机制以及预测方法逐渐成

2、为了现在工程中所关注的焦点问题。本文在已有研究的基础上，开展了砂土海床上管道大位移条件下的侧向土抗力试验，用以模拟屈曲段管道的运动状态。并结合极限分析理论和数值方法，深入研究了管道侧向土抗力的发挥机理，提出了相应的预测公式。主要内容与结论如下：1.根据试验结果，总结了大位移条件下管道侧向土抗力的变化规律：管道在小位移条件下抗力迅速增大，当抗力曲线出现拐点时，管道发生破土（breakout），相应的侧向土抗力即破土抗力Fbr；破土后管道继续运动，所受土抗力在管前堆积土体的作用下出现短暂的峰值抗力Fmax后下降；当管道运动距离约4倍管径时，管道此时所受

3、侧向土抗力稳定不变，即残余抗力Fre。试验重点研究了管重W和相对埋深z/D等因素对管道侧向土抗力的影响规律。并通过拟合的方法，得到了管道的破土抗力Fbr与峰值抗力Fmax、残余抗力Fre之间的拟合关系式。2.采用有限元数值方法对管道的破土进行了模拟分析，对比试验采集的图像得到了破土抗力Fbr的发生机理：管前土体中的塑性区随管道的运动不断开展，当土体中出现了延伸至土表面的连续滑裂面时，即发生了管道的破土现象，这时的侧向土抗力即破土抗力Fbr。3.基于有限元分析结果构建了由三个土楔块组成的破坏机构，并结合极限分析上限法建立了该机构的虚功平衡方程，从而求

4、解得到了破土抗力Fbr的上限解，经过与试验结果以及规范的对比后证明了其合理性。4.采用有限元分析方法研究了砂土海床中浅埋管道在V-H荷载空间的承载力包络线以及主要的影响因素。建立了包络线尺寸的控制参数Vmax和μ0关于φ和z/D的函数关系式，并与前人试验结果进行了对比验证。故而在实际工程中，可以将海床土性参数以及可能的荷载组合纳入到包络线中分析，来评价管道的在位稳定性。关键词：砂土，侧向整体屈曲，管道侧向土抗力，上限解，承载力包络线ABSTRACTAstheexploitationandextractionworkofoffshoreoilandg

5、asresourcesareextendedintodeeperwater,thelateralbucklingunderHTHPconditionforshallow-embeddedpipelineindeepseahasbecomeanissuecannotbeignored.Forthepurposeofreleasingtheaxialforceaccumulatedinthepipelineandaccomplishingthecontrolofbuckling,thelateralsoilresistancetopipeistreat

6、edasanimportantparametersforbucklingdesign,ofwhichthemechanismandpredictionmethodhasgraduallybecomethefocusprobleminoceanengineering.Basedontheformerresearches,aseriousmodelexperimentsoflateralsoilresistanceunderlarge-displacementconditionhavebeenconducted.Withcombinationoflim

7、itanalysistheoryandnonlinearnumericalFEMmethod,apredictionformulaoflateralsoilresistancehasbeenputforward.Themainconclusionsaresummarizedasfollows:Basedontheexperimentalresults,thedevelopmentoflateralsoilresistanceandtheinfluencesbypipewightWandrelativeembedmentsz/Dhasbeendisc

8、ussed.Bythewayoffitting,theempiricalformulabetweenbreakoutres